Оптоэлектронные устройства дистанционного контроля геометрических параметров профильных объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат наук Малышева-Стройкова, Александра Николаевна

• Малышева-Стройкова, Александра Николаевна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Малышева-Стройкова, Александра Николаевна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ, МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОФИЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

1.1 Анализ и классификация профильных объектов

1.2 Классификация и сравнительная характеристика методов и устройств контроля геометрических параметров профильных объектов

Требования к устройствам контроля

1.3 Основные направления развития оптоэлектронных измерительных устройств геометрических параметров профильных объектов

1.4 Теоретические проблемы построения оптоэлектронных дистанционных устройств контроля геометрических параметров профильных объектов. Основные задачи исследований

1.5 Выводы по главе 1

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ДИСТАНЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОФИЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

2.1 Обобщённая математическая модель оптоэлектронного дистанционного контроля геометрических параметров профильных объектов

2.2 Математическая модель оптоэлектронных методов контроля геометрических параметров профильных объектов с угловым лазерным сканированием

2.3 Математическая модель оптоэлектронных методов контроля с линейным сканированием

2.4 Математическая модель группового контроля геометрических параметров труб

Выводы по главе 2

3 ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА, СХЕМОТЕХНИКА И АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОФИЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

3.1 Обобщённая структура и датчики устройств контроля

3.2 Техническая реализация оптоэлектронного устройства группового дистанционного контроля геометрических параметров труб

3.3 Алгоритм обработки изображения группы труб на раскаточном столе

3.4 Выводы по главе 3

4 МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ОПТОЭЛЕКТРОННОГО ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОФИЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

4.1 Структура погрешностей. Постановка метрологической задачи при контроле профильных объектов

4.2 Основные погрешности

4.3 Дополнительные погрешности и методы повышения точности оптоэлектронных устройств дистанционного контроля геометрических параметров профильных объектов

Выводы по главе 4

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОФИЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

5.1 Цель и задачи экспериментальных исследований. Разработка программы испытаний

5.2 Испытания макетного образца устройства контроля геометрических параметров профильных объектов с угловым и линейным сканированием

5.3 Лабораторные и производственные испытания устройства дистанционного контроля геометрических параметров труб

Выводы по главе 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Приложение Е

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптоэлектронные устройства дистанционного контроля геометрических параметров профильных объектов»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время важной задачей машиностроения является создание средств высокопроизводительного контроля геометрических параметров изделий сложной формы. С развитием технологий обработки материалов, складывается такая ситуация, что значительно быстрее можно изготовить изделие сложной формы, чем ее проконтролировать традиционными средствами. Причем надо контролировать каждое изделие, несколько раз, на разных стадиях технологии. Геометрию каждого изделия требуется контролировать независимо от того, какая используется технология и станки. Точность геометрии изделий по любой технологии определяется точностью средств контроля их геометрии.

Под объектами контроля в данной диссертации рассматриваются трубы, емкости, корпуса и элементы летательных аппаратах, строительные конструкции, измерение которых контактными методами достаточно затруднительно. Под термином «геометрические параметры» (ГП) подразумеваются линейные и угловые величины, а также соотношения между ними, характеризующие форму объекта и взаимное расположение его элементов. В качестве основной рассматривается задача контроля длины прямолинейных отрезков, как наиболее общая.

Существующие средства контроля геометрии изделий не отвечают современным требованиям. Контактные механические средства: шаблонные приборы, координатно-измерительные машины устарели, имеют низкую производительность, большие габариты, не мобильны. Классическими измерительными устройствами являются механические контактные измерительные машины, позволяющие определять координаты точек с точностью до нескольких единиц и десятков микрон. Однако применение этих машин ограничено следующими причинами:

- условиями, близкими к лабораторным (как правило, эти машины являются стационарными и требуют стабильности окружающих условий: отдельное помещение со своим внутренним микроклиматом.

- габаритами замеряемого объекта (какова должна быть машина при измерении 10-20 метрового объекта?);

- стоимостью (цена измерительных машин может превышать $1000000);

- необходимостью прямого контакта, недопустимого во многих случаях (к примеру, замеряется очень «мягкий» объект - пластилиновый макет изделия) необходимостью перемещать объект к измерительной машине, а не наоборот.

Общий принцип получения измерительной информации можно представить как определение размеров объекта по сопряженным параметрам на его оптическом изображении. Сопряженными параметрами принимаются координаты точек образа и прообраза, светоэнергетические соотношения в зоне этих точек.

Оптические и оптико-электронные методы бесконтактных измерений сформировались как приоритетное направление в решении перечисленных проблем. Приоритет обусловлен высоким уровнем развития традиционной оптотехники, фотоэлектроники и цифровой техники, что в совокупности создает основу для новых схемных и конструктивных решений устройств бесконтактного измерения. В этой области выдано свыше 200 авторских свидетельств и патентов, опубликовано множество статей, монографии.

Общей задачей исследований является создание максимально развитого в пределах общего принципа ряда информационно - измерительных устройств для современных промышленных технологий. Рассматриваемые устройства бесконтактного измерения представляет собой совокупность оптических, фотоприемных и электронных устройств.

Рассмотренные методы измерения базируются на законах геометрической оптики и фотометрии. Измеряемому параметру ставиться в соответствие параметры его оптического изображения, Работы по созданию оптико-электронных устройств бесконтактных измерений ведутся во всех индустриально развитых странах. Характерная их черта - сходство в принципах получения измерительной информации; различаются они главным образом по способам ее обработки. Реализация систем стала возможной благодаря развитой элементарной базе оптоэлектро-ники и широкому использованию микропроцессорной техники в производственных процессах. Однако практическое их применение требует учета конкретных условий и физических особенностей объекта. В этом отношении бесконтактные

методы уступают по степени надежности традиционным контактным методам, но последние не отвечают определенным требованиям современного производства. Создание бесконтактных измерительных устройств рассматривается как одно из направлений в решении проблем информационного и метрологического обеспечения автоматизированных производств, измерения больших размеров, контроля деталей с малой поверхностной прочностью и измерений в местах, технологически недоступных для контакта.

Одним из важнейших объектов контроля в данной работе будут рассматриваться трубы. Контроль геометрии профиля трубы очень актуален. Кроме задач отбраковки, такие измерения необходимы для оптимального подбора стыкующихся торцов труб при прокладке трубопроводов. В результате транспортировки, погрузочно-разгрузочных работ и длительного хранения профиль трубы искажается, становится эллипсным либо приобретает более сложную форму. Для труб средних и больших диаметров (более 200,0 мм) абсолютные искажения формы торца составляют несколько миллиметров (1,0 - 5,0 мм), что вызывает проблемы при их сварке и обуславливает необходимость их предварительного контроля при раскладке по трассе трубопровода. Бесконтактный оперативный контроль длины труб также очень важен. После проведения ремонта трубы, как правило, имеют разную длину и её измерение механическими методами трудоёмко и требует двух человек и наличия доступа с двух концов, что не всегда возможно.

Геометрические же параметры измеряются в основном контактными механическими или оптико-механическими методами, которые громоздки, имеют малое быстродействие и неприменимы в реальных условиях транспортировки, хранения и ведения автоматизированного учета труб в условиях ограниченного доступа к ним. Другие: волоконно-оптические, радиационные, лазерные и телеметрические методы и устройства измерения, производимые фирмами «Autech», «Rtticon», «Machinery» (США); «Siemens», «Schneider», «Ferster» (ФРГ); «Ларицу» (Япония); «Zumbach», «Boveri» (Швейцария); а также «ВНИИА», «ВНИИМЕТ-МАШ», «ВНИИН», «ВНИИАчермет», «Уралмаш» (Россия) - являются сложными, громоздкими стационарными устройствами, предназначенными для измере-

ния не более двух геометрических параметров труб из всей их совокупности. Фотограмметрические измерительное устройство V-STARS компании Geodetic System Inc. (США) и ATOS (Германия), теодолитные и интерферометрические измерительные устройства (Axyz MTM-STM, Axyz LTD, фирмы Leica Geosystems AG) дорогостоящие (более 50 тыс. долларов). Развитие электронной, волоконно-оптической элементной базы и микропроцессорной техники создает широкие возможности для создания высокоточных дистанционных устройств оперативного измерения геометрических параметров с использованием передовых информационных технологий в условиях ограниченного доступа.

Целью работы является разработка оптоэлектронных методов и устройств дистанционного контроля геометрических параметров профильных объектов (ГППО), с расширенными функциональными возможностями.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих основных задач:

1. Анализ достижений в области оптоэлектронных дистанционных измерений и контроля ГППО и выявление основных направлений и концепций их развития.

2. Теоретические исследования общего принципа формирования измерительной процедуры, связанной с получением плоского изображения объекта.

3. Теоретический анализ и разработка функции преобразования оптоэлектронных методов измерений с угловым лазерным и линейным сканированием объекта.

4. Разработка научных основ и функции преобразования устройства групповых дистанционных измерений геометрических параметров цилиндрических объектов.

5. Разработка структурных и функциональных схем устройств измерения ГППО, схем и алгоритмов обработки сигналов.

6. Метрологический анализ и экспериментальные исследования созданных устройств, разработка методов повышения точности измерений.

В последнее время оптоэлектронные методы измерения геометрических параметров профильных объектов, достаточно активно развиваются, что связано с улучшением элементной базы оптоэлектроники, созданием новых программных продуктов обработки изображений. Однако они не охватывают весь комплекс

проблем, связанных с решением поставленных задач. В частности недостаточно исследованы вопросы математического описания процедуры формирования и обработки изображения при линейных и угловых перемещениях сканирующей камеры по трём координатам. Недостаточно исследований проведено по созданию устройств группового контроля объектов, когда камера захватывает одновременно несколько изделий, при этом необходимо оценить геометрические параметры не только каждого объекта, но и их суммарные характеристики. Мало изучены вопросы влияния климатических факторов на работоспособность и метрологические характеристики оптоэлектронных приборов дистанционного измерения геометрических параметров профильных объектов.

Большой вклад в развитие бесконтактных оптических измерительных устройств внесли работы профессоров Грейма И.А. и Сухопарова С.А. (дальномет-рия), Русинова М.М. (фотограмметрия), По гарева Г.В. (зеркально-призменные устройства), Топорца A.C. (оптика шероховатой поверхности), Румянцева К.Е. (телевизионные измерительные устройств), Ободана В.Я., Виноградова Е.Г., Ши-лина А.Н. (контроль геометрии труб и обечаек), Сарвина A.A. (оптические и оп-тоэлектронные методы геометрических параметров).

Работа основывается также на идеях, заложенных в трудах, Виноградова Е.Г. Балабаева C.JT. Нестерова В.Н., Зиброва В.А., Скворцова Б.В., Жиганова И.Ю., Борминского С.А. и включает в себя разработку и исследование созданных с участием автора оригинальных конструкций оптоэлектронных приборов контроля ГПО. Подробно рассмотрены информационно-метрологические характеристики разработанных приборов, а также варианты их практического применения, в том числе как элементов систем управления технологическим процессом прокатного производства труб и группового контроля.

Методы исследований

При решении поставленных задач использовались теория анализа и синтеза информационно-измерительных устройств, теория погрешностей, методы дифференциального, интегрального и операционного исчислений, аналитическая геометрия. При моделировании и проведении численных расчетов на ЭВМ использо-

вался математический пакет МАТНСАБ.

Научная новизна

1. Теоретические основы оптоэлектронного метода контроля с угловым лазерным сканированием, описывающие измерительную процедуру при съемке объекта под разными углами с контролем лазерным дальномером расстояния до отдельных точек поверхности. Функции преобразования измерительного устройства, связывающие пространственные координаты объекта и его плоского изображения на основе аппроксимации поверхности набором плоскостей, построенных по калибровочным точкам.

2. Теоретический анализ дистанционного метода контроля объекта с линейным сканированием, описывающий измерительную процедуру при смещении телекамеры на фиксированные расстояния по трем координатам. Функция преобразования измерительного устройства, связывающая координаты объекта и его плоского изображения на основе кусочно-линейной аппроксимации его поверхности.

3. Теоретическое обоснование группового контроля геометрических параметров труб, расположенных в один слой на раскаточном столе. Методика для вычислений размеров объектов по их изображению независимо от оптических параметров объектива и угла наклона раскаточного стола.

4. Методика анализа погрешностей и аналитические выражения, определяющие метрологические требования к датчикам углов и перемещений, а также к телекамере, обеспечивающие требуемую точность измерений и контроля. Методика коррекции оптических искажений вида «дисторсия», примененная в установке для группового контроля длины труб.

Практическую ценность работы составляют

1. Макетный образец оптоэлектронного устройства дистанционного контроля Г1ШО с угловым лазерным и линейным сканированием.

2. Опытный образец устройства группового дистанционного контроля геометрических параметров труб.

3. Конструкторская документация созданных устройств дистанционного контроля ГППО, разработанная с использованием материалов диссертации.

4. Алгоритмы и программы обработки сигналов датчиков и реализации измерительных процедур в разработанных устройствах контроля ГППО.

Реализация результатов работы

По результатам работы изготовлено и внедрено устройство дистанционного группового контроля геометрических параметров труб в ООО «Лазерные измерительные комплексы». Материалы диссертации используются также в учебном процессе СГАУ в курсовом и дипломном проектировании.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Теоретические основы оптоэлектронного метода контроля с угловым лазерным сканированием, описывающие измерительную процедуру при съемке объекта под разными углами с контролем лазерным дальномером расстояния до отдельных точек объекта, включающие функцию преобразования измерительного устройства, связывающую координаты объекта и его плоского изображения на основе аппроксимации поверхности набором плоскостей, построенных по калибровочным точкам.

2. Теоретический анализ дистанционного метода контроля объекта с линейным сканированием, описывающий измерительную процедуру при смещении телекамеры на фиксированные расстояния по трем координатам, включающий функцию преобразования измерительного устройства, связывающую пространственные координаты объекта и его плоского изображения на основе кусочно-линейной аппроксимации его поверхности.

3. Теоретическое обоснование группового контроля геометрических параметров труб, расположенных в один слой на раскаточном столе, включающее методику вычислений размеров объектов по их изображению независимо от оптических параметров объектива и угла наклона раскаточного стола.

4. Методику анализа погрешностей и аналитические выражения, определяющие метрологические требования к датчикам углов и перемещений, а также к телекамере, обеспечивающие требуемую точность измерений, включающую метод и алгоритм коррекции оптических искажений вида «дисторсия».

5. Результаты экспериментальных исследований и практической реализации разработанных устройств.

Достоверность результатов работы

Достоверность результатов работы определяется экспериментальными исследованиями, подтверждающими основные теоретические положения работы, которые не противоречат известным положениям в данном направлении исследований.

Апробация работы

Результаты работы доложены на конференциях: Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» (г.Самара 2009 - 2014 г.), Международная научно-техническая конференция «Гагаринские чтения» (г. Москва, 2014 г.).

Публикации

По результатам исследований и разработок опубликовано 11 работ, в том числе 3 статей в рецензируемых журналах (рекомендованных ВАК РФ), одна из которых в базе Scopus, подано 2 заявки на изобретения.

Связь с государственными программами

Работа была выполнена при поддержке регионального общественного фонда содействия отечественной науке, 2013 г. Проект является победителем программы «СТАРТ-2013».

Личный вклад автора

Все результаты, связанные с научной новизной, получены автором лично. Экспериментальные исследования и практическое внедрение проведено при участии коллектива НИЛ-54.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 155 страницах текста, включает 42 рисунка и 11 таблиц. Список литературы состоит из 78 наименований и приложений на 33 страницах.

Работа является результатом исследований, проведенных автором на кафедре электротехники Самарского государственного аэрокосмического университета

(СГАУ). В работе принимал участие творческий коллектив научно-исследовательской лаборатории «Аналитические приборы и системы» СГАУ. Выражаю благодарность за участие в выполнении исследований своим коллегам и соавторам. Особую благодарность выражаю научному консультанту, д.т.н., профессору Скворцову Б.В. за советы и пожелания, сделанные ими при написании работы, а также доценту Борминскому С.А. за помощь в проведении экспериментов и практической реализации разработанных устройств.

1 АНАЛИЗ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ, МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОФИЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

1.1Анализ и классификация профильных объектов

Среди профильных объектов наиболее распространенными являются трубы, лопатки и лопасти газотурбинных двигателей, резервуары, шестерёнки машин, элементы конструкций авиакосмической и автомобильной техники, ювелирные изделия. Один из важнейших показателей качества любого объекта - это точность их геометрических размеров по ГОСТ. В общем случае профильные объекты можно классифицировать по различным признакам, например по применению, условиям эксплуатации, по методам изготовления, по метрологическим требованиям и т.д.

С точки зрения метрологии профильные объекты целесообразно классифицировать по следующим признакам: по форме, габаритам, точности измерений, по доступности. В соответствии с указанными признаками классификация профильных объектов представлена на рисунке 1.1. Указанные признаки определяют в основном метод измерения.

Рисунок 1.1- Классификация профильных объектов

Классификация достаточно условна и требует комментариев. Примером плоских объектов при классифицировании по форме может быть профиль трубы, шайба или любое другое изделие, один из габаритных размеров которого много меньше двух других и не подлежит контролю в проводимой измерительной one-

рации. Классическим примером сложного объёмного объекта является лопатка газотурбинного двигателя или труба, взятая в целом. Отметим, что контроль размеров объёмных объектов можно свести к измерению трёх проекций по координатным плоскостям, если такую возможность дает физическая доступность к объекту.

При классифицировании по габаритам принимались во внимание следующие критерии. Под микрообъектами понимаются изделия размерами меньше 1 мм. К таким объектам могут относиться ювелирные изделия, кристаллы, алмазы, мелкие линзы, элементы микросхемотехники. При контроле указанные изделия требуют применения специальной увеличительной оптики, в частности микроскопов, в том числе и электронных. К мелкогабаритным объектам условно можно отнести изделия с размерами от 1,0 до 100 мм, хорошо различимых невооруженным глазом, легко транспортируемых и размещаемых на столе. Их измерение не требует применения специальной увеличительной оптики, которая может ограничиться стандартными фотообъективами. Сюда могут относиться шестерёнки часов и машин, малогабаритные лопатки, оптические и многие другие, в том числе и ювелирные изделия. К среднегабаритным объектам относятся изделия с размерами от 100 до 2000 мм, которые при измерении также не требуют применения специальной оптики, но могут иметь ограничения по доступности и возможностям перемещения в пространстве. Например, блоки двигателей внутреннего сгорания, автомобильные и авиационные топливные баки, колеса машин. К крупногабаритным объектам относятся изделия с размерами больше 2000 мм, измерение которых требует уменьшающей оптики. Такие изделия являются трудно перемещаемыми, ограниченно доступными. Классическими примерами таких объектов являются трубы, резервуары, корпуса автомобильной, авиационной и ракетно-космической техники, архитектурные сооружения.

По точности изготовления, указанной на рисунке 1.1 классификация предполагает следующие погрешности измерений еп, определённые метрологической наукой: 2 < еп < 5 % - низкоточные; 0,5 < еп < 2 % - средней точности; 0,1 < еп < 0,5% - высокоточные; еп <0,1 % - прецизионные. К низкоточным объектам мож-

но отнести некоторые виды труб, элементы архитектурных конструкций и строительных сооружений, к прецизионным - элементы оптики, микросхемотехники.

Классификация по доступности вполне очевидна. Классическим примером ограниченно доступного объекта являются трубы, находящиеся на стеллажах или в кучах, когда один торец трубы недоступен. Полностью физически недоступным объектами часто является изделия находящиеся в процессе изготовления и испытания, например расположенные в вакуумной- или термокамере.

Рассмотрим подробнее некоторые из указанных объектов и требования к ним по метрологическим характеристикам. Трубы характеризуются следующими геометрическими параметрами: длина, внешний и внутренний диаметры, толщина стенки, форма профиля, кривизна по длине и другие. Подробный анализ требований к различным видам труб приведен в работе [1]. По геометрическим параметрам трубы делятся на две большие группы: круглые и профильные (фасонные). Всего в СНГ выпускаются 32 вида профильных труб. Все виды профилей труб, выпускаемых заводами СНГ приведены в [1]. В таблице 1.1 приведены примеры профиля труб и метрологические требования к ним, ярко характеризующие важность и актуальность решаемой задачи.

Таблица 1.1 Сводная таблица геометрических параметров труб

№ Профиль Наименование Предельные размеры, (мм) Предельные отклонения

1 2 3 4 5

1 Круглые Б 20 - 820 8 = 2,5 + 75 ГОСТ 8732-78

2 I 1 ' ^ 1 А Квадратные А = 10+180 8 = 1 + 14 П* = 0,443 + 89,59 Я = (1,5 + 3)8 ГОСТ 8639-82

3 Восьмигранные с круглым отверстием в- 25±0'3 + 5 О0'5 13 + 25 П = 3,85 +15,80 ГОСТ 8639-82

4 ЛИ3 Ж Щ к ~ Двухканальные, тип А Н= 19-31 а= 10-14,2 Б = 1,0-2,0 ~ л Г~ 4 П =0,476- 1,540 ГОСТ 8634-82

5 а* -4 ^ 1 ч 0 - образные нормальные 18,0-24,0 В= 12,0-15,0 Б = 1,0- 1,8 Я = 45,0 -60,0 г= 2,0-3,0 х0 = 2,36 - 3,48 П =0,456- 1,070 ГОСТ 8639-82

X 5 г

6 1 у\ Жх Звездообразные Н= 12,0-120,0 Я = 2,4 -25,0 Б = 1,0-2,0 г= 1,2 - 10,0 П =0,370- 1,550 ГОСТ 13664-68

Для круглых труб предельные отклонения по диаметру и толщине стенки указаны в таблицах 1.2, 1.3 (П - площадь сечения, см2).

Таблица 1.2. Предельные отклонения круглых труб по наружному диаметру

Наружный диаметр, мм Предельные отклонения

Повышенной точности Обычной точности

20,0 <50,0 ± 0,5 мм ± 0,5 мм

50,0 <Б <219,0 ± 0,8 % ± 1,0%

219,0 <820,0 ± 1,0% ± 1,25 %

Таблица 1.3. Предельные отклонения круглых труб по толщине стенки

Предельные отклонения, %

Наружный диаметр, мм Толщина стенки, мм Повышенной точности Обычной точности

2,5 <8 <15,0 ± 12,5 + 12,5 -15,0

20,0 <Э <219,0 15,0 <8 <30,0 + 10,0 - 12,5 ± 12,5%

30,0 <75,0 ± 10,0 + 10,0 -12,5

2,5 <8 < 15,0 + 12,5 - 15,0

219,0 <820,0 15,0 < Б <30,0 ± 12,5

30,0 <8 <75,0 + 10,0 -12,5

Для фасонных труб предельные отклонения по размерам профиля указаны в работе [1] Следует отметить большую номенклатуру профильных труб и достаточно жесткие требования по их геометрическим параметрам. Овальность и раз-ностенность не должны выводить размер труб за предельные отклонения по диаметру и толщине стенки. Профиль трубы является ярким примером плоского объекта измерений. Более сложным, объемным объектом измерений является профиль газотурбинной лопатки или детали машин и летательных аппаратов. Номенклатура профильных объектов настолько обширна по размерам, формам, материалам и назначениям, что описать их в одном разделе абсолютно невозможно. Однако с точки зрения проведения измерительной процедуры они вполне могут подпадать под объекты контроля разработанных в диссертации устройств.

1.2 Классификация и сравнительная характеристика методов и устройств контроля геометрических параметров профильных объектов.

Требования к устройствам контроля

Библиографические исследования показали, что по способу получения измерительной информации все устройства контроля ГППО можно разделить на следующие основные группы (рисунок 1.2): механические, электрические, оптические, акустические и радиационные.

Рисунок 1.2 - Классификация методов контроля профильных объектов

В дальнейшем будем рассматривать только оптоэлектронные методы контроля, родоначальниками были визуально-оптические приборы контроля размеров. Здесь использовался в основном проекционный метод контроля, который заключался в получении изображения изделия на экране с последующим его сравнением с изображением, принятым за эталонное. Ссылки на такие виды контроля с указанием первоисточников приведены в [1,2]. Оптоэлектронные устройства контроля геометрии изделий условно делятся на фотокомпенсационные, фотоимпульсные и телеметрические. Действие фотокомпенсационных приборов основано на сравнении двух световых потоков, один из которых частично перекрывается измеряемым изделием, а другой - подвижной заслонкой-эталоном, положение которой при равенстве потоков характеризует размер изделия. Наиболее распространены фотоимпульсные приборы, типичная схема одного из которых приведена на рисунке 1,3.

ОС - источник света; Л1, Л2, ЛЗ - линзы; Д - диафрагма; ИО - измеряемый объект; Ф1, Ф2 - световые потоки; ФП1, ФП2 - фотоприемники; Щ1, Щ2 - щели; ЛН - лампа накаливания; МД - модулятор; ДВ - двигатель; ФИ - формирователь импульсов; У1, У2, УЗ- усилители; СМ - смеситель; ЛБ - логический блок; УБ -управляющий блок; ТГ - тактовый генератор; И - блок совпадения; СЧ - счетчик; ЦИ - цифровой индикатор

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Малышева-Стройкова, Александра Николаевна, 2014 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Жиганов, И.Ю. Бесконтактные устройства измерения геометрических параметров труб/ И.Ю. Жиганов. - М.: Вузовская книга, 2004. - 220 с.

2. Скворцов, Б.В. Методы дистанционных измерений геометрических параметров объектов/ Б.В. Скворцов, И.Ю. Жиганов, А.Н. Малышева - Стройкова.: Ламберт, 2012.-316 с.

3. A.c. 1747893 СССР, МКИ G01B17/02. Способ определения внутреннего размера изделия с полостью / Волобуев С.А., Калядин А.Ю., Шарапа А.И. -4815739/28; заявлено 19.04.90; опубл. 15.07.92, Бюл. № 26. - С. 146.

4. Фрайд , Дж. Современные датчики. Справочник/ Д. Фрайд. - М.: Техносфера, 2006.-592 с.

5. Нестеров, В.Н. Метод многомерных тестовых объектов в оптических измерительных системах/ В.Н. Нестеров, В.М.Мухин , A.B. Мещанов. - Самара: СНЦ РАН, 2013.-224 с.

6. Клюев, В.В. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: Справочник/ В.В. Клюев - М.: Машиностроение, 1976. - 718 с.

7. Жиганов, И.Ю. Метрологические основы дистанционных телевизионных методов измерения геометрических параметров объектов / И.Ю. Жиганов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2009. - Т.П. - № 3. -С. 117-121.

8. Гинзбург, В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме / В.Л. Гинзбург.- М.: Наука, 1967. - 684 с.

9. Карасик, В.Е. Лазерные системы видения/ В.Е. Карасик , В.М. Орлов.- М.: МВТУ им. Баумана, 2001.-352 с.

10. Фу, К. Робототехника/ К Фу, Р. Гонсалес, К. Ли - М.: Мир, 1989. -624 с.

И. A.c. 1490887 СССР Стереометрический способ определения координат поверхности объекта / Воробъёв Ю. В., Русинов Е.М. -1989 , Бюл. №24. 12. Слюсарев, Г.Г. Расчет оптических систем/ Г.Г. Слюсарев. - Л.: Машиностроение, 1975.-639 с.

13. Русинов, М.М. Техническая оптика / М.М. Русинов - Л.: Машиностроение, 1979.-488 с.

14. Мирошников, М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов/ М.М. Мирошников - Л.: Машиностроение, 1977. - 600 с.

15. Чуриловский, В.Н. Теория оптических приборов/ В.Н.Чуриловский - М.-Л.: Машиностроение, 1966. - 564 с.

16. Якушенков, Ю.Г. Основы оптико-электронного приборостроения/ Ю.Г. Якушенков.-М.: Советское радио, 1977. - 208 с.

17. Пат. 2433372 Российская Федерация, МКИ G01B11/24. Способ бесконтактного измерения линейных размеров трёхмерных объектов / Двойнишников C.B., Меледин В.Г.; заявитель и патентообладатель ИТ СО РАН, ОАО "ИОИТ".-№ 2009134025/28; заявл. 10.09.09, опубл. 20.10.05, Бюл. № 29.

18. Пат. 2262660 Российская Федерация, МПК G01B11/02, G01B21/02. Способ и устройство бесконтактного оптического измерения размеров объектов / Доков Д.С., Венедиктов А.З., Демкин В.Н.; заявитель и патентообладатель ООО "АГРО-ЭЛ".-№ 2004104532/28; заявл. 16.02. 04, опубл. 10.11. 11, Бюл. № 31.

19. Меледин, В.Г. 3D диагностика просто, точно, доступно/ В.Г. Меледин // Успехи науки. - 2010. - №2(32). - С. 22 - 23.

20. Сайт ПКП «Союзмаркет» [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://www.optizm.rn/index.htm

21. Прибор для бесконтактного измерения линейных размеров тел вращения [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://www.dsp-soft.ru/7icN34

22. Прибор для измерения геометрии плоских объектов [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://ru.dtest.ru/catalog/izmeritel nye sistemv/pribor diva izmereniva geometrii ploskih obektov/

23. Стереоскопическая система бесконтактного измерения метрических размеров объектов [Электронный ресурс]//Режим доступа: Ьцр:/Лппосе^ег.5оф.ги/рго1е^5/ 3387

24. Пат. 2280838 Российская Федерация, МПК G01B11/02, G06T7/60. Способ бесконтактного измерения объектов, имеющих на изображении расфокусированные границы/ Буданов Н.В., Емельянов Э.Л., Морозов В.В., Обидин Ю.В., Пету-

хов К.В.; заявитель и патентообладатель КТИНП СОР АН, ЗАО "АЛРОСА". -№ 2004118171/28; заявл. 15.06. 04, опубл. 27.07.2006, Бюл. № 21.

25. Воронцов, В., Акилов A.A. Разработка бесконтактного способа измерения деталей машин и механизмов лучом лазера// В. Воронцов, A.A. Акилов. - Ярославль, 2001.

26. Меледин, В.Г. Информатика оптоэлектронных измерений: наука и инновационные промышленные технологии/ В.Г. Меледин- Новосибирск: ИТ СО РАН, 2008. - 75 с.

27. Пат. 2334195 Российская Федерация, МКИ G01B011/24. Способ бесконтактного измерения линейных размеров трёхмерных объектов / Двойнишников C.B., Аникин Ю.А., Главный В.Г., Меледин В.Г.; заявитель и патентообладатель Двойнишников C.B., Меледин В.Г.-№ 2006118624/28; опубл. 20.09.2008, Бюл. № 26.

28. Пат. 2433372 РФ, МКИ G01B011/24 . Способ бесконтактного измерения линейных размеров трёхмерных объектов / Двойнишников C.B., Меледин В.Г.; заявитель и патентообладатель ИТ СО РАН, ОАО "ИОИТ" -№ 2009134025/28; заявл. 10.09. 09, опубл. 20.09. 05, Бюл. № 26.

29. Meledin, V.G. Informatics of optoelectronic Measurements: dcience and Innovative Industrial Technologes / V.G. Meledin.//Journ. Engineering Thermophysics. 2009V. 18.N.2.P.99-128.

30. Выгодский, М.Я. Справочник по математике/ М.Я. Выгодский. - М.:Наука, 1973.-872 с.

31. Нефёдов,В.И. Метрология и радиоизмерения/ В.И. Нефёдов. -М.: Высшая школа, 2006. -526 с.

32. Козлов, В.Л. Измеритель дальности и размерных параметров объектов на основе цифровой фотокамеры / В.Л. Козлов, И.Р. Кузьмичёв. // Вестник БГУ. -сер. 1-2011. -№1-с.ЗЗ -38.

33. Выгодский, М.Я. Справочник по элементарной математике / М.Я. Выгодский. -М.:Наука, 1973. -416 с.

34. Яворский, Б.М. Справочник по физике/ Б.М. Яворский, A.A. Детлаф.- М.: Наука, 1974. - 940 с.

35. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы / Г. Корн, Т.Корн - М.: Наука, 1974. - 831 с.

36. Сарвин, A.A. Оптические и оптоэлектронные методы бесконтактных измерений геометрических параметров: дис., д-ра техн. наук: 05.02.11 / Сарвин Анатолий Александрович. -С-П., 2002-282с .

37. Титов, B.C. Направления развития методов, алгоритмов и аппаратных средств повышения качества изображений оптико-электронных систем/ B.C. Титов, М.И. Труфанов//Приборостроение, 2013. -Т.56 -№6- с.7-10

38. Прэтт, У. Цифровая обработка изображений/ У. Прэтт. - М.: Мир, 1982. - 792 с.

39. Ильясова, Н.Ю. Информационные технологии анализа изображений/ Н.Ю. Ильясова, A.B. Куприянов, А.Г. Храмов - М.: Радио и связь, 2012. -424 с.

40. Датчики теплофизических и механических параметров: справочник в трех томах/ под общ. ред. Коптева Ю.Н. - М.: Радиотехника, Т.1 2000 - 400 е., Т.2, 2000 - 678 е., Т.З, 2000. - 458 с.

41. Путятин, Е.П. Обработка изображений в робототехнике / Е.П. Путятин, С.И. Аверин. - М.: Машиностроение, 1990. — 320 с.

42. Ту, Дж. Принципы распознавания образов / Дж. Ту, Р. Гонсалес. - М.: Мир, 1978.— 412 с.

43. Кикоин, И.К. Таблицы физических величин: Справочник / И.К. Кикоин - М.: Атомиздат, 1976. - 829 с.

44. Кошкин, Н.И. Справочник по элементарной физике / Н.И. Кошкин , М.Г. Ширкевич - М.: Наука, 1982. - 208 с.

45. Виноградов, Е.Г. Применение унифицированного оптического датчика для контроля геометрических параметров труб / Е.Г. Виноградов, С.Н. Глебова, В.Н. Павлов // Измерительная техника. - 1990. - № 2. - С. 23.

46. A.c. 1837160 СССР, МКИ G01B21/30. Устройство оптико-телевизионного контроля / Мел един Г. Ф., Алексеев А. П., Алексеева Д. А., Лезнева И. Г., Бобров В. В., Бухарев Н. А., Егунов Л. И., Химикус В. А. - Опубл. 30.08.1993, Бюл. № 32. - С. 43.

47. Пат. 2100777 СССР, МКИ G01B21/10. Оптико-электронное устройство для контроля формы крупногабаритных деталей / Шилин А.Н. -заявл. 06.01.94; опубл. 27.12.97, Бюл. №36.-С. 397.

48. Пат. 2102704 СССР, МКИ G01B17/02. Устройство для определения и регистрации геометрических параметров трубопроводов / Плотников П.К., Бакурский H.H., Рамзаев А.П. - Бюл. № 2, 1998.

49. Пат. 2077701 Российская Федерация, МКИ G01B21/32. Оптический прогибо-мер / Енученко С.А., Коротаев В.В., Мусяков B.JL, Панков Э.Д., Тимофеев А.Н. -№ 93044543; заявл. 09.09.1993; Опубл. 20.04.1997, Бюл. № 11.-С. 192.

50. A.c. 1608430 СССР, МКИ G01B21/30. Устройство для измерения сечения круглого проката и труб / Ободан В.Я., Сологуб Б.В., Скрипниченко А.И., Чуд-новская P.C., Онофриенко JI.A., Третьяков А.К. - Бюл. № 43, 1990 - С. 142.

51. Арутюнов, П.А. Косвенные измерения в конечных полях / П.А. Арутюнов // Измерительная техника. - 1999. - №4. - С. 11-15.

52. Степанов, A.B. Выбор системы измерений и контроля технического объекта по многим показателям / A.B. Степанов // Измерительная техника.-2000.-№4-С.41-45.

53. Заявка № 19748062 Германия, МКИ G01B11/24. Оптический способ и устройство для измерения геометрической формы объекта/ Mahner Bernward -Опубл. 12.05.1999.

54. Пат. № 2163395 Российская Федерация, МКИ G06K9/52, G06K9/50. Устройство для селекции изображений и измерения размеров объекта / Сальников И.И., Кутаев Ю.Ф, Абачкин С.Н. - заявл. 06.10.1998; опубл. 20.02.2001.

55. Дегтярев, Ф.В. Оптико-электронные устройства размерного контроля технических объектов. Современные проблемы радиоэлектроники / Ф.В. Дегтярев, В.П. Тен, Ю.В. Коловский. // Сборник научных трудов Красноярского государственного технического университета. Изд-во КГПУ. - 1999. - С. 220 - 221.

56. Румянцев, К.Е. Применение алгоритмов контроля и измерения диаметров поперечного сечения труб в прокатно-металлургическом производстве./ К.Е.Румянцев, В.А. Зибров. // Электронный журнал «Исследовано в России». -

2001.-77.-С.844-852.-Режим доступа: http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/077.pdf.

57. Савельев, И.В. Курс общей физики. Волны. Оптика./ И.В. Савельев. - М.: Ас-трель, 2005.-256 с.

58. Итенберг, И.И. Мультпроцессоры для цифровой обработки изображений в системах реального времени/ И.И. Итенберг // Известия вузов. Электроника. -

2002. -№ 4. -С. 71.

59. Радиотехнические и телевизионные средства сбора и обработки информации/ под ред. Румянцева К.Е. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1998. - 162 с.

60. Балабаев, С.Л. Телевизионный датчик контроля изделий металлургического производства/ С.Л. Балабаев, К.Е. Румянцев// Информационные технологии в науке и образовании: сб. науч. трудов. - Шахты, 1998. - № 28. - С. 24 - 28.

61. Леонов, В.В. Анализ методов измерения отклонений от прямолинейности и плоскостности поверхностей/ В.В. Леонов.- М.: Изд-во стандартов, 1982. - 248 с.

62. Зибров, В.А. Применение телевизионных датчиков для измерения параметров поперечного сечения труб в прокатно-металлургическом производстве/ В.А. Зибров , К.Е. Румянцев // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления: тезисы доклада XIII научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов, г. Крым. - Крым, 2001. - С. 34 - 35.

63. Балабаев, С.Л. Пиротелевизионная измерительная система/ С.Л. Балабаев , К.Е. Румянцев // Методы и средства измерений физических величин: тезисы доклада V Всероссийской научно-технической конференции. Ч. 4. - Н.Новгород: НГТУ, 2000.-С. 3-4.

64. Лемешко, Ю.А. Размерный контроль круговых отражающих цилиндров интерференционным методом/ Ю.А. Лемешко, Ю.В. Чугуй // Автометрия - № 5-том 39- 2003 - с. 42 -52.

65. Анциферов, В.В. Бесконтактный лазерный измеритель размеров роликов и подшипников/ В.В. Анциферов, М.В. Муравьёв //Сб. статей Новые технологии -железнодорожному транспорту- часть 4- Омск- 2000- с. 210 - 213.

66. Скворцов, Б.В. Оптоэлектронное устройство дистанционного измерения геометрических параметров профильных объектов / Б.В. Скворцов, А.Н. Малышева-Стройкова, И.Ю. Жиганов// Измерительная техника- 2014.

67. Скворцов, Б.В. Теоретические основы распространения направленных энергетических импульсов в стационарных и движущихся средах/ Б.В. Скворцов, Д.Б. Скворцов, А.Н. Малышева-Стройкова // Вестник СГАУ, 2013.

68. Скворцов, Б.В. Математическое моделирование и расчет распространения направленных импульсов в неоднородных поглощающих средах/ Б.В. Скворцов, А.Н. Малышева-Стройкова, Д.Б. Скворцов // Вестник Самарского государственного технического университета, Серия «Технические науки», 2012. -№ 1(33) -с. 66-73

69. Скворцов, Б.В. Применение эффекта ядерного магнитного резонанса при селективной модификации углеводородных продуктов / Б.В. Скворцов, С.А. Бор-минский, А.Н. Малышева-Стройкова, М.С. Боранбаев // Известия СНЦ РАН, 2013. -т.15. - №6-с.6

70. Скворцов, Б.В. Применение метода совокупно-косвенных измерений массы нефтепродуктов при мониторинге параметров резервуарных парков/ Б.В. Скворцов, С.А. Борминский, Е.А. Силов, А.Н. Малышева-Стройкова // Известия СНЦ РАН, 2013.-т.15. - №6-6 с.

71. Скворцов, Б.В. Теоретические основы комплексных измерений показателей качества нефтепродуктов методом ядерного магнитного резонанса/ Б.В. Скворцов, Д.Б. Скворцов, А.Н. Малышева-Стройкова//Известия Самарского научного центра РАН, 2011г. - том 13- №6- с.252-258.

72. Скворцов Б.В.Оптоэлектронные методы и устройства дистанционных измерений геометрических параметров профильных объектов: Монография/ Б.В. Скворцов, И.Ю. Жиганов, А.Н. Малышева-Стройкова - Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH& Co. KG, 2012. 313c.

73. Борминский, С.А. Установка дистанционных групповых измерений геометрических параметров крупногабаритных объектов / С.А. Борминский, А.Н. Ма-лышева-Стройкова // Сборник трудов Всероссийской научно-технической конфе-

ренции «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» - Самара, 2011. - с.205-208.

74. Малышева-Стройкова, А.Н. Оптоэлектронное устройство дистанционного измерения геометрических параметров профильных объектов/ А.Н. Малышева-Стройкова, И.С. Зарецкий // Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций» -Самара, 2013.

75. Скворцов, Б.В. Телевизионное устройство дистанционного измерения геометрических параметров профильных объектов / Б.В. Скворцов, С.А. Борминский, А.Н. Малышева-Стройкова // Сборник Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций" - Самара, 2012. - с.240-244.

76. Скворцов, Б.В. Экспериментальные исследования системы автоматического нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубы / Б.В. Скворцов, М.И. Голикова, С.А. Борминский, А.Н. Малышева-Стройкова // Вестник Самарского отделения Поволжского центра Метрологической Академии России «Информационные, измерительные и управляющие системы», 2012.

77. Заявка № 2012112171/018363,МКИ СЮ 1В 11/12. Телевизионное устройство измерения геометрических параметров профильных объектов/ Малышева-Стройкова А.Н., Скворцов Б.В., Борминский С.А., Жиганов И.Ю.; заявл. 28.03.12 - 8с.

78. Заявка № 2013114340/021185, МКИ 001В 21/28, в06К 9/52. Устройство дистанционного измерения геометрических параметров профильных объектов / Малышева-Стройкова А.Н., Скворцов Б.В., Борминский С.А., Блинов Д.И.; заявл. 29.03.12.